论文
题目：疲劳与断裂综述
院（系）材料与化工学院专业材料工程
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1 绪论 (3)
1.1 疲劳及断裂力学发展 (3)
1.2 疲劳与断裂力学的关系 (3)
1.3 疲劳设计方法 (4)
2 疲劳现象及特点 (4)
2.1 变动载荷和循环应力 (4)
2.2疲劳现象及特点 (5)
2.3疲劳断口宏观特征 (5)
3 疲劳过程及机理 (6)
3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理 (6)
3.2 疲劳裂纹扩展过程及机理 (7)
4 疲劳影响因素及应对措施 (8)
4.1 疲劳强度影响因素 (8)
4.2 提高疲劳强度的措施 (9)
5结束语 (10)
1 绪论
1.1 疲劳及断裂力学发展
日内瓦的国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能叫疲劳”。金属材料和构件的断裂，绝大部分属于疲劳断裂。材料的疲劳不仅是所有运动物体的一个共同性问题，对某些显然是静止的物体，只要它承受循环力或循环变形，就会因为疲劳而发生破坏。疲劳裂纹扩展是累计损伤的过程，包括金属在内的任何材料加工而成的机构或设备，在载荷反复作用下，机械结构的 50%~90%都会发生疲劳破坏。由于材料的破坏行为和静力相比有着本质的区别，使得材料的疲劳问题成为备受关注的问题之一。科学的研究方法对正确认识疲劳问题具有至关重要的意义。经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。
1.2 疲劳与断裂力学的关系
疲劳学研究重复载荷及材料及结构的疲劳强度及疲劳寿命问题。断裂力学研究带裂纹体的强度问题。
疲劳破坏过程是从原子尺寸，晶粒尺寸到大型结构尺寸，跨越十几个量级的十分复杂的过程，疲劳破坏过程按裂纹扩展过程可以大致分为几个阶段。
（1）亚结构和显微结构发生变化，从而形成永久损伤形核。
（2）产生微观裂纹。
（3）微观裂纹长大和合并，形成“主导”裂纹。一般认为，这一阶段的疲劳通常是裂纹萌生与扩展之间的分界线，即疲劳与断裂力学的分界岭。
（4）主导宏观裂纹的稳定扩展。
（5）结构失去稳定性或完全断裂。
1.3 疲劳设计方法
根据处理裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段的不同定量处理，工程中运用疲劳学和断裂力学形成不同方法。分别是疲劳法—安全寿命法、损伤容限法、“安全-寿命”和“失效-安全”法。
2 疲劳现象及特点
疲劳是在材料在变动载荷循环作用下产生的破坏。工程中很多机件和构建都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其主要失效形式是疲劳破坏。
2.1 变动载荷和循环应力
变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。在单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为规则周期变动应力和无规则周期变动应力两种。
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波三种，其中常见的为正弦波。
循环应力通常用几个参量来表示：
最大应力σmax
最小应力σmin
平均应力m=(σmax+σmin)/2
应力幅a=(σmax-σmin)/2
应力比或循环特性参数R=σmin/σmax
应力幅度（应力变程）D=σmax-σmin
2.2疲劳现象及特点
(1) 疲劳的分类。疲劳可根据不同方法进行分类。按应力状态不同，可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等；按环境和接触情况不同，可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、高温疲劳、接触疲劳等；按循环周期不同，可分为高周疲劳、低周疲劳；按初始状态情况，可分为无裂纹零件和裂纹零件的疲劳。
(2) 疲劳的特点。疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，有以下特点：
a)疲劳是低应力延时断裂，发生在应力水平远小于材料的抗拉强度甚至屈
服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，把锅里地寿命长。
当低于某一临界值（门槛值）时，寿命可达无限长。
b)疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，是脆性断裂。由于一般疲劳的应力
水平比屈服强度低，所以无论是韧性材料还是脆性材料断裂前都不会有
明显的塑性变形，它是在长期损伤积累过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展
到临界尺寸才突然发生的断裂。因此，是一种潜在的突变型断裂。
c)对材料的缺陷十分敏感。疲劳破坏常具有局部性质，所以对缺陷有高度
的选择性。缺口的应力集中增大对材料有损伤作用；组织缺陷（夹杂、
疏松、白点、脱碳等）降低材料局部强度。因此改变局部设计可以明显
延长结构寿命（细节设计）。
d)疲劳断口在宏观和微观上均具有特征，可以借助断口分析判断是否属于
疲劳破坏。
2.3疲劳断口宏观特征
疲劳断裂和其他断裂一样，断口保留了断裂的痕迹，具有明显的形貌特征。这些特征受材料性质、应力状态、应力大小及环境特点等因素影响。典型疲劳断口具有三种不同的区域——疲劳源、疲劳区、瞬断区。如图1所示。
图1 疲劳宏观断口
（1）疲劳源区：裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源
（2）扩展区：断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）
（3）瞬断区：一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。
3 疲劳过程及机理
疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳扩展期Np 所组成。
3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理
疲劳微裂纹在其形成和扩展过程中，会表现出与宏观裂纹不同的行为，一般来说，疲劳微裂纹长度小于或相当于材料内部细观组织单元（如晶粒、第二相粒子等）尺度，对于光滑的工程材料，疲劳微裂纹总是在自由表面处形成，但是由于受到材料微观组织的影响，微裂纹有着有不同的形核位置和萌生形式。比如，对于高强度钢，裂纹一般萌生于夹杂物；对于高强度铝合金，裂纹往往起源于尺度较小的第二相颗粒；对于一些中、低强度的合金材料，裂纹趋于在滑移带上形成。尽管短裂纹的萌生方式因材料而异，但其过程都是由表面或近表面处的局部塑性应变中造成的。
（1）驻留滑移带开裂
在低强度的金属材料中，疲劳裂纹一般起始于某些滑移带。与静载荷下出现的滑移带不同，交变载荷下形成的表面滑移带分布不均匀，滑移台阶一般在高应力的局部地区产生。滑移产生的表面突起经过抛光后虽能暂时消除，但是如果继续循环几个周次，滑移台阶又在原处出现，这称为“驻留滑移带”，它标志着疲劳损伤的开始。随着不断的循环变形，在材料表面形成了许多的“挤出”和“挤入”。
（2）夹杂物界面开裂
在金属材料中，经常不同程度地存在着一些非金属夹杂物和第二相粒子，在交变应力作用下，这些夹杂物或第二相粒子会与基体沿界面分离或者本身发生断裂，这都可能导致疲劳微裂纹的萌生。
（3）晶界开裂
当经受较高的应力/应变幅时，尤其是在高温的情况下，裂纹经常萌生于晶界处。对于高温下的材料，滑移带到达晶界时，会受到晶界的阻碍，但是载荷的继续作用，使得滑移带在晶界上引起的应变不断增加，造成位错堆积，当位错堆积形成的应力达到理论断裂强度时，晶界就会开裂，形成微裂纹。材料晶粒尺寸越大，晶界上的应变量和堆积的位错就越大，就越容易形成裂纹。从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界弱化和晶粒粗化因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度；反之，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。
3.2 疲劳裂纹扩展过程及机理
当微裂纹在金属表面附近形成后，即进入扩展阶段，这可以分为两个阶段。第一阶段是沿着最大剪应力的滑移平面向前扩展，这时表面存在着很多微裂纹，但是大多数裂纹较早地就停止扩展，只有少数几个可延伸到几十个微米（约2~3个晶粒尺寸）的长度范围，扩展速率比较缓慢；随着裂纹长度的增加，裂纹的扩展方向转向与拉应力方向垂直，这是裂纹扩展的第二阶段，这时通常只有一个裂纹在扩展。裂纹的第一阶段扩展是由剪应力分量控制的，而第二阶段则由拉应力控制。与长裂纹相比，微裂纹的扩展行为的主要特点如下：
（1）微裂纹可以在比长裂纹低的名义驱动力下扩展，而且在同样的名义驱动力下，微裂纹具有比长裂纹更高的扩展速率。
（2）微裂纹可以弥散地分布和发展，单位面积上的裂纹数随循环周次增加而增加，当微裂纹密度达到一临界值时将发生裂纹的汇合扩展。
（3）疲劳微裂纹的扩展对微观结构有着强烈的依赖性，因此裂纹的扩展行为具有很大的随机性，最初萌生的裂纹或者初始长度较长的裂纹也并不一定就能生长为主裂纹。
电镜断口分析表明，第二阶段的断口特征是具有呈弯曲并相互平行的沟槽花样，成为疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。它是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每一条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。
疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。在失效分析中，常利用疲劳条带间宽与ΔK的关系来分析疲劳破坏。但是实际观察不同断口时，并不一定都能看到清晰的疲劳条带。一般滑移系多的面心立方金属，如Al和Al合金、Cu和Cu 合金等，疲劳条带较明显：而滑移系较少或组织状态比较复杂的钢铁材料，其疲劳条带往往短窄而紊乱，甚至看不到。应该注意：疲劳条带和宏观断口的贝纹线并不是一回事，条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是疲劳断口的宏观特征。
4 疲劳影响因素及应对措施
4.1 疲劳强度影响因素
影响疲劳性能的因素很多，但对疲劳性能影响最大的主要因素有：
（1）组织结构：一种材料的成分虽然相同，但如果采用不同的热处理制度，则可形成不同的组织结构，如奥氏体和马氏体，这将导致不同的疲劳性能。一些材料采用表面激光淬火来得到表层马氏体和心部奥氏体的组织，利用表层的高屈服强度和心部韧性，以综合提高构件的疲劳性能。
（2）表面状态：疲劳失效常从表面开始，一方面这与表面往往承受最大的交变载荷有关；另一方面表面易于存在加工缺陷或与外界接触产生局部的缺陷。不同的表面处理可产生不同的疲劳性能，如采用表面强化（喷丸、滚压和挤压等）可显著改善疲劳性能，而脱碳、电镀和阳极化等处理可降低材料或构件的疲劳性能。不同的机械加工状态导致的表面粗糙度和残余应力不同，也对疲劳性能影响很大。表面状态主要包括表面粗糙度、表层残余应力等，有时也被称为表面质量。
（3）应力集中：缺口、圆角或其他几何形状的突然变化都将导致应力集中，从而降低材料的疲劳性能，因此在设计零件时应注意采用适当半径的圆角逐步进行过渡，以确保危险截面的承载能力。此外，不同材料对应力集中的敏感性不同，一般高强度材料对应力集中比较敏感，因此在选用高强度材料进行替代时，应注
意高强度材料的应力集中敏感性，并采用更大半径的圆角进行逐步过渡。
（4）试验条件：试验的频率、温度、应力比和载荷类型等因素对疲劳性能具有一定的影响。加载频率对疲劳性能的影响随材料的不同而有所差异。温度升高一般可使材料的疲劳性能下降，但使应力集中的影响减小。对于给定的最大载荷，应力比或平均应力越小，疲劳强度越低.
（5）周围环境：在腐蚀环境的作用下，材料的疲劳强度明显降低，材料的疲劳寿命显著缩短。这一方面与疲劳裂纹常从局部的腐蚀坑开始有关；另一方面腐蚀环境常促进新表面的形成，裂纹易于形成和扩展。
4.2 提高疲劳强度的措施
随着疲劳失效事故的不断出现及其所产生的非常严重的危害，人们逐渐重视疲劳失效事故的发生，并对预防措施进行研究，取得了一些主要的研究成果。但到目前为止，国内外对疲劳失效的预防技术及零件的寿命管理方法等方面的研究仍很不充分，没有形成一系列完善的抗疲劳设计技术与方法体系、抗疲劳材料选择与应用体系、抗疲劳制造加工工艺技术体系、零件的使用维护与修理等整体管理流程与使用寿命管理体系，因此零件仍然不断出现疲劳失效事故。从疲劳失效的预防来看，预防措施主要有以下几个方面：
（1）合理的结构设计：对零件进行设计时，设计人员应该加强对疲劳结构的细节设计，要采用合理的结构形状和适当的过渡区域，来保证零件关键部位所受应力低于疲劳抗力，并给予一定的安全设计系数来考虑疲劳失效的概率性。在设计阶段不仅应注意构件局部的应力集中，更应注意构件所采用的材料特性，因为材料不同，其疲劳的应力集中敏感性也相差很大。
（2）合适的材料选择：零件的形状尺寸相同，采用不同的材料来加工制造，其疲劳性能将截然不同，典型的例子是对于飞机起落架，虽然形状相同，但采用强度不同的材料来加工制造，其飞行寿命相差很远。对不同使用条件下的零件应选择性能相适应的材料，在室温下选择晶粒细小、强度高和韧性好的结构材料比较耐疲劳；而在高温下选择晶粒适当、组织稳定、强韧性配合较好的结构材料才可提高疲劳寿命。合适的材料是制造长寿命抗疲劳零件的基础。
（3）适宜的热处理制度：选择了一定的形状尺寸和合适的材料，对材料进行适宜的热处理显得非常关键。相同的材料，热处理制度不同，疲劳性能也就完
全不同。
（4）可靠的零件加工工艺：零件的加工质量对其使用寿命的影响很大，相同的材料即使采用相同的热处理制度，但如果选用不同的加工方式进行制造，其疲劳性能也相差很大，尤其是对于高强度结构材料。可靠稳定的零件加工制造工艺是零件表层质量的保证，没有好的零件加工工艺就得不到好的表面质量，也谈不上高的疲劳性能。零件加工时要杜绝烧伤、吃刀等工艺所产生的缺陷，并尽量减小加工过程中产生的残余拉应力数值。
（5）适当的表面强化处理：表面强化工艺技术虽然起源于结构的维护修理，但近年来已被设计单位和工厂作为一种设计技术和制造技术，用于零件的加工、制造与维护等过程。零件的设计是基础和依据，零件的材料选择是关键的性能支撑，制造工艺是实现加工的手段和可靠性的根本保证，表面强化则是零件表层性能的守护神。采用合适的表面强化工艺技术处理零件，可使零件不在表面发生疲劳失效，而在表层下的基体处萌生疲劳裂纹，这将充分发挥材料的强度潜力，节省材料的消耗。
5结束语
对于疲劳断裂的研究及寿命的估算，在金属和合金中广泛存在，近年来随着多尺度研究方法的深入，以及试验手段和显微技术的提高，人们对疲劳裂纹的产生和扩展机理有了一定的认识，研究得到了较大发展。但是对于微裂纹的生长和扩展规律、微观尺度多裂纹的交互作用以及微裂纹阶段疲劳寿命评估的研究上都存在不足。值得注意的是，疲劳微裂纹的计算机仿真作为一种先进的研究手段，正在逐渐为工程科研人员所接受，这也会对金属材料疲劳损伤的研究起到较大的促进作用。
1.材料弹性变形和金属塑性变形的本质？ 2.材料的断裂是如何分类的？韧性断裂和脆性断裂的微观形貌各有哪些特征？ 3.金属在怎样的外因条件下会发生韧性-脆性转变，为什么？ 4.材料的静态韧性、冲击韧性和断裂韧性的物理意义和数学表达？ 5.试比较σ与K 以及b σ与C K I 的区别与联系？ 6.推到Griffith 脆断强度理论公式？★（很大可能会考到） 7.典型的疲劳寿命曲线是怎样的？分为几个区？疲劳极限的定义？ 8.某正弦波疲劳试验的平均应力为100MPa ，应力限为200MPa ，试求加载的最大应力、最小应力、应力比和应力范围？ 9.平均应力是怎样影响疲劳寿命的（作图说明）?试举出生产中人为改变平均应力提高疲劳寿命的工艺措施。 10.Miner 线性累计疲劳损伤定则是如何处理变幅载荷疲劳问题的？ 11.疲劳失效的主要过程有三个：疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展和当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。 宏观尺度的疲劳裂纹形成包括三个阶段：微裂纹的形成、微裂纹的长大和微裂纹的联接。 疲劳微裂纹的形成三种方式：表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。 （这个题没抄全，只记得老师说三个代表了，大概也许应该是这个，三个三） 12.何谓第一类模拟疲劳试验和第二类模拟疲劳试验？
13.作图说明P-S-N 曲线与S-N 曲线的区别与联系。 14.示意画出S-N 曲线、P-S-N 曲线和用裂纹形成寿命分解的S-N 曲线。分析疲劳数据分散性产生的基本原因。★ 15.试作图说明疲劳裂纹扩展的一般规律？如何估算裂纹扩展寿命？ 16.试比较高温疲劳与热疲劳的区别与联系？与常温疲劳相比高温疲劳有何特点？ 17.试比较C K I 、SCC K I 、th K ?与I K 的区别与联系。如何估算一个可能含 裂纹而无损检测合格的零件的最大许用服役应力？ 18.无限寿命设计与有限寿命设计的基本思想是甚么？ 19.简述“失效-安全”的概念。 20.简述损伤容限设计的基本思想。 21.“工程上要求构件各部位的服役应力不能超过屈服强度（2.0σ），因而研究塑性变形问题在工程上应用价值不大。”这种说法正确否？为什么？ 22.“在役飞机的零部件，特别是飞机发动机的零部件是绝对不能含有裂纹运行的，因此在航空领域研究和估算裂纹扩展寿命问题毫无意义，只要研究裂纹萌生寿命的问题即可”。这种说法正确否？为什么？ 23.颤振可认为是一种振幅较小、频率较高的疲劳载荷，通常情况下对材料不会造成损伤。为什么航空发动机的某些构件在服役过程中会由于颤振而失效？
断裂力学习题 一、问答题 1、什么是裂纹？ 2、试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。 3、断裂力学的任务是什么？ 4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法： 5、试述I型裂纹双向拉伸问题中的边界条件，如何根据该边界条件确定一复变函数，并由此构成应力函数，最后写出问题的解。b5E2RGbCAP 6、什么是应力场强度因子K1？什么是材料的断裂韧度K1C？对比单向拉伸条件下的应力及断裂强度极限b，，说明K1与K1C的区别与联系？p1EanqFDPw 7、在什么条件下应力强度因子K的计算可以用叠加原理 8、试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小？ 9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。 10、K准则可以解决哪些问题？ 11、何谓应力强度因子断裂准则？线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同？ 12、确定K的常用方法有哪些？ 13、什么叫裂纹扩展能量释放率？什么叫裂纹扩展阻力？ 14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么？ 15、什么是格里菲斯裂纹？试述格氏理论。
16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的？ 17、裂纹对材料强度有何影响？ 18、裂纹按其力学特征可分为哪几类？试分别述其受力特征 19、什么叫塑性功率？ 20什么是G准则？ 21、线弹性断裂力学的适用范围。 22、“小范围屈服”指的是什么情况？线弹性断裂力学的理论公式能否应用？如何应用？ 23、什么是Airry应力函数？什么是韦斯特加德 损伤力学研究的是材料内部缺陷的产生和发展引起的宏观力学效应以及缺陷最终导致材料破坏的过程和规律。1958年Kachanov在研究蠕变断裂时引入了损伤力学的概念，提出了“连续性因子”和有效应力。1963年Rabotonov在Kachanov基础上引入了“损伤变量”的概念，奠定了损伤力学的基础。在其后的二三十年中，各国学者对损伤力学的基本概念、研究方法、损伤变量的定义等做了大量的开创性工作，极大推动了损伤力学理论的进展。1976年Dougill将损伤力学从金属材料中引入到岩石材料，之后岩石损伤力学迅速发展，已成为当今岩石研究领域的热门课题之一。 岩石损伤力学的研究关键是定义材料的损伤变量及正确地给出演变规律的本构方程。能否得到合理的损伤演变方程和含损伤的本构方程关键是对损伤变量的定义是否合理，建立一个损伤模型的基本要求是能在实验中直接或间接确定与损伤演变规律有关的材料参数。 对损伤变量的定义，从损伤力学提出就开始进行广泛的研究，可从微观和宏观这两个方面选择。微观方面，可以选择裂纹数目、长度、面积和体积等；宏观方面，可以选择弹性模量、屈服应力、拉伸强度、密度等。 国内学者唐春安从岩体材料内部所含裂纹缺陷分布的随机性出发，利用岩石微元强度服从正态分布或Weibull分布的特征，用发生破坏的微元数在微元总数中所占的比例来定义损伤变量。 谢和平等将分形几何理论应用于岩石损伤研究中，将岩石损伤程度的增加看作是分形维数的增加，从损伤与断裂之间的联系方面定量的描述了损伤，从而创建了分形几何与岩石力学理论体系，提出了分形损伤力学理论。 从微观角度出发对损伤变量进行定义，不仅物理意义明确，而且能够比较真实地反映材料性能逐渐劣化，但是从微观角度定义的损伤变量难以量测。 Lamaitre基于弹性模量变化用无损杨氏模量和损伤杨氏模量定义损伤变量，谢和平和鞠杨等讨论了该损伤变量定义的适用条件，进行了修正。使基于宏观弹性模量定义的损伤变量在实际应用中比较方便，但这种定义方法需要事先知道材料的初始弹性模量，而且在实际的工程中很多材料都有具有初始损伤的。 谢和平、鞠杨等认为单元强度丧失实则为其粘聚力的丧失，即单元在经历一定的能量耗散后，其内部的损伤达到了最大值，与此同时微结构中的粘聚力完全丧失。国内外学者进行了大量通过能量分析的方法来描述岩体的破坏行为的研究。 另外还有学者使用CT技术在岩石损伤检测中的应用，并给出了一种基于 喷丸处理40Cr钢缺口构件的疲劳断裂机制及寿命预测 绝大多数工程构件不可避免的存在缺口、裂缝等横截面突变的情况,这种情况在实际应用中会在局部造成严重的应力集中,从而在交变载荷作用下容易断裂失效。为了研究这类工程上遇到的实际问题,往往采用带缺口小试样来探究循环载荷对构件安全性能的影响。 本文以齿轮常用的材料中碳合金调质40Cr钢为研究对象,利用喷丸强化处理技术改善缺口部位的表面完整性,通过综合对比分析了不同喷丸强度及覆盖率 参数下材料的显微硬度、微观组织、表面形貌、残余应力、疲劳极限以及疲劳断 口形貌变化情况,系统研究了喷丸处理对40Cr钢表面完整性和疲劳性能的影响。同时在已有的带缺口构件局部疲劳强度预测方法的基础上,对喷丸强化处理后缺口构件的局部疲劳强度预测做了深入探究。 以试验、理论和模拟相结合的方法,通过综合考虑应力梯度、残余应力、加工硬化和表面粗糙度的影响,对喷丸处理过的40Cr钢缺口试样进行了局部疲劳 强度的预测评估。试验研究表明,调质40Cr钢经过喷丸处理后在试样表面形成了一定深度的塑性变形层和较高数值的残余压缩应力。 随着喷丸强度的增大,材料表面显微硬度明显增加。通过观察表面三维形貌 发现,随喷丸强度的增大表面粗糙度逐渐增大;提高喷丸覆盖率参数可以明显降 低表面粗糙度从而提高了材料表面完整性。 疲劳试验结果表明,喷丸强化处理能够提高40Cr钢缺口构件的疲劳性能,当试样循环寿命在2×10~6次时,不同喷丸参数下的疲劳极限相对于未喷丸试样提 升了14.3%~29%,当喷丸强度为0.2 mmA覆盖率为400%时疲劳极限提高幅度最大。本文在“线弹性有限元法—应力梯度法”进行缺口构件疲劳寿命评估的基础上, 材料的疲劳和断裂读书报告 在这个报告里，首先阐述材料的疲劳和断裂机理、规律，其次阐述钛合金的疲劳和断裂，以及解决方法。在之前的本科课程里《工程材料力学性能》、《》、《失效分析》，对金属的疲劳、断裂、蠕变都进行了较为详细的阐述。同时，也进行了TC4合金的疲劳性能实验，因此对疲劳相关的知识有了一定的了解。 在大多数情况下，零件承受的并不是静载荷，而是交变载荷。在交变载荷作用下，材料往往在低于屈服强度的载荷下，发生疲劳断裂。例如，汽车的车轴断裂，桥梁，飞机等。因此对于疲劳断裂的研究是很有意义的。 一般来说，疲劳的定义是：金属材料或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。断裂的定义是：由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹扩展为失稳裂纹，最终材料发生断裂。在此，需要明确疲劳和断裂的关系。疲劳和断裂在机理研究和工程分析时是紧密相连的，只是疲劳更侧重于研究裂纹的萌生，断裂力学则侧重于裂纹的扩展，即带裂纹体的强度问题。 对于疲劳，阐述的思路是疲劳分类及特点，疲劳机理与断口，疲劳性能表征，影响疲劳的因素。对于断裂，从宏观和微观的角度分别阐述。 疲劳 疲劳分类及特点 疲劳分类方法如下： 按应力状态不同，可以分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳； 按环境和接触情况不同，分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳； 按照断裂寿命和应力高低不同，分为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲劳也是低应力疲劳，低周疲劳即高应力疲劳。 疲劳特点如下： 材料在交变载荷峰值远低于材料强度极限时，就可能发生破坏，表现为低应力脆性断裂特征。这是因为，疲劳时应力较低（低于屈服强度），因此在宏观上看，材料没有塑性变形。在裂纹扩展到临界尺寸时，发生突然断裂。 材料疲劳是一个累积过程，尽管疲劳断裂表现为突然断裂，但是在断裂前经历了裂纹萌生，微裂纹连接长大，裂纹失稳扩展的过程。而形成裂纹后，可以通过无损检测的方法来判断裂纹是否达到临界尺寸，从而来判断零件的寿命。 疲劳寿命具有分散性。对于同一类材料来说，每次疲劳测试的结果都不会相同，有的时候相差很大。因此在测量疲劳寿命时，需要采用升降法和分组法来测得存活率为50%的疲劳强度。疲劳对于缺陷很敏感。这些缺陷包括材料表面微裂纹，材料应力集中部分，组织缺陷等。这些缺陷加速材料的疲劳破坏。 疲劳断口记录了疲劳断裂的重要信息，通过断口分析能了解到疲劳过程的机理。 疲劳裂纹形成和扩展机理及断口 一般把疲劳分成裂纹形成和裂纹扩展过程。而研究疲劳机理，都是借助于某一种模型来研究，这在断裂力学，蠕变过程的研究中经常看到。 裂纹形成： 资料表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要包括表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。 裂纹形成的延性材料滑移开裂模型。 在静拉伸过程中，可以在光滑试样表面看到滑移带，这是由于位错的滑移形成的。在交变载 中国矿业大学 2013 级硕士研究生课程考试试卷 考试科目损伤与断裂力学 考试时间2014. 01 学生姓名梁亚武 学号ZS13030020 所在院系力建学院 任课教师高峰 中国矿业大学研究生院培养管理处印制 《损伤与断裂力学》课程学习总结 1 前言 据美国和欧共体的权威专业机构统计：世界上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的6%到8%。包括压力管道破裂、铁轨断裂、轮毂破裂、飞机、船体破裂等。 长期以来，工程上对结构或构件的计算方法，是以结构力学和材料力学为基础的。它们通常都假定材料是均匀的连续体，没有考虑客观存在的裂纹和缺陷，计算时只要工作应力不超过许用应力，就认为结构是安全的，反之就是不安全的。工作应力根据载荷情况、构件几何尺寸计算出来，许用应力则根据工作条件和材料性质选用。 对于实际结构中可能存在的缺陷和其他考虑不到的因素，都放在安全系数里考虑。安全系数并未考虑到其他失效形式的可能性，例如脆性断裂或快速断裂。人们曾普遍认为，选用较高的安全系数就能避免这种低应力断裂。然而，实践证明并非如此，材料存在缺陷或裂纹的结构或构件，在应力值远低于设计应力的情况下就会发生全面失效。这样的例子很多，因而动摇了上述传统设计思想的安全感，使人们认识到，对含有裂纹的物体必须作进一步的研究。断裂力学就是在这个基础上应运而生的。 断裂力学是研究带裂纹体的强度以及裂纹扩展规律的一门学科。由于研究的主要对象是裂纹，因此，人们也称它为“裂纹力学”。它的主要任务是：研究裂纹尖端附近的应力应变情况，掌握裂纹在载荷作用下的扩展规律；了解带裂纹构件的承载能力，从而提出抵抗断裂的设计方法，以保证构件的安全工作。由于断裂力学能把含裂纹构件的断裂应力和裂纹大小以及材料抵抗裂纹扩展的能力定量地联系在一起，所以，它不仅能圆满地解释常规设计不能解释的“低应力脆断”事故，而且也为避免这类事故的发生找到了办法。同时，它也为发展新材料、创造新工艺指明了方向，为材料的强度设计打开了一个新的领域。 由于研究的观点和出发点不同，断裂力学分为微观断裂力学和宏观断裂力学。微观断裂力学是研究原子位错等晶粒尺度内的断裂过程，根据对这些过程的了解，建立起支配裂纹扩展和断裂的判据。宏观断裂力学是在不涉及材料内部的断裂机 断裂与疲劳(专升本) 判断题 1. 力的大小可以用一个简单量表示。(3分) 参考答案：错误 2. “K I = K Ic ”表示K I 与 K Ic 是相同的。(3分) 参考答案：错误 (1). 萌生 (2). 参考答案: 扩展 (3). 参考答案: 断裂 (4). 参考答案: 损伤积累 4. ___(5)___ 有两种定义或表达式， 一是回路积分定义，另一种是___(6)___ ，在塑性力学全量理论的描述下这两种定义是___(7)___ ；其___(8)___ 指J 积分的数值与积分回路无关。(8分) (1). 参考答案: J 积分 (2). 参考答案: 形变功率定义 (3). 参考答案: 等效的 (4). 守恒性(1). 机械加工程度变形 (2). 参考答案: 预制裂纹长度 (3). 参考答案: 小范围屈服长度 (4). 读数显微镜(1). 理论断裂强度 (2). 参考答案: 实际断裂强度 (3). 参考答案: 应力集中系数 (4). 参考答案: 裂口断裂理论 问答题 7. 什么是低应力脆断？如何理解低应力脆断事故？(12分) 参考答案：答：在应力水平较低，甚至低于材料的屈服点应力情况下结构发生的突然断裂，称为低 应力脆性断裂，简称低应力脆断。低应力脆断多与结构件中存在宏观缺陷(主要是裂纹)有关， 同时也与材料的韧性有关。由于应力低，容易“失察”，由于脆性断裂，难于控制即“失控”， 低应力脆性断裂事故多为灾难性的。断裂力学是研究低应力 脆断的主要手段，其研究目的也 主要是预防低应力脆断。 8. 请解说应力场强度因子断裂理论？(12分) 参考答案：答：1)下标“I”表示I 型（张开型）裂纹 2)“K”表示应力强度因子，是外加应力和裂纹长度的函数 3)“K I ”表示I 型（张开型）裂纹的应力强度因子 4)“K Ic ”表示I 型（张开型）裂纹的断裂韧度，是材料抵抗断裂的一个性能指标 5)“K I = K Ic ”是断裂判据，表示I 型（张开型）裂纹的应力强度因子增加到一个临界 值即达到材料的断裂韧度时，就发生脆性断裂。 9. 请论述断裂力学的产生、发展、分类及主要理论？(12分) 参考答案： 严格按传统强度理论设计的工程结构却发生了低应力脆性断裂，这是传统强度理论无法自圆其说的。正是对这类问题的思考和探索，尤其1920格里菲斯裂口断裂理论的提出标志固体力学的一个新分支即将出现。 断裂力学诞生的标志是欧文的应力强度断裂理论的提出。这也是断裂力学的第一次飞跃发展，断裂力学的第二次飞跃发展体现在应力强度因子断裂理论应用在疲劳问题的分析。 根据材料断裂的载荷性质，可分为静态断裂力学和动态断裂力学，或称为断裂静力学和断裂动力学，显然断裂静力学是断裂动力学的基础，一般简称为断裂力学。由于研究的尺度、方法和观点不同，断裂力学可分为微观断裂力学和宏观断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小，宏观断裂力学又可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。 10. 材料有哪些性能？什么是材料的力学性能？金属材料有哪些力学性能指标？力学行为的内涵是什么？(12分) 参考答案： 材料的性能包括热学性能、力学性能（弹性模量、拉伸强度、抗冲强度、屈服强度、耐疲劳强度等）、电学性能、磁学性能、光学性能、化学性能。 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲 ２０１７年３月第４１卷第３期一V o l ．４１N o ．３M a r ．２０１７ D O I :１０．１１９７３/j x g c c l ２０１７０３００６收稿日期:２０１５Ｇ１０Ｇ１３;修订日期:２０１６Ｇ１１Ｇ１１基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１３２５５０４)作者简介:冯博(１９９０－),男,山东济南人,硕士研究生.导师:轩福贞教授 通讯作者:李煜佳讲师 不同应力比下沉淀硬化不锈钢的超高周疲劳断裂机制 冯博１,李煜佳１,梅林波２,轩福贞１ (１．华东理工大学,承压系统与安全教育部重点实验室,上海２００２３７; ２．上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂,上海２００２４０ )摘一要:在１００?含氧量小于１m g L －１的饱和蒸汽环境中,对C u s t o m４５０沉淀硬化型不锈钢在三种应力比(－１,－０．６,０．１)下进行了轴向等幅力控制的超高周疲劳试验,观察了疲劳断口形貌并研究了其疲劳断裂机制.结果表明:试验钢的S ＧN 曲线没有水平段,始终保持下降趋势,其疲劳极限消失;疲劳断口呈现从表面缺陷二内部夹杂物和内部结构不连续三个位置处形成裂纹源的起裂模式;随着应力比的提高,表面形成裂纹源的概率增大,内部形成裂纹源的概率降低. 关键词:沉淀硬化不锈钢;超高周疲劳;S ＧN 曲线; 疲劳断裂机制中图分类号:T B ３０１一一一文献标志码:A一一一文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０３Ｇ００２９Ｇ０４ U l t r a Ｇh i g hC y c l eF a t i g u eF r a c t u r eM e c h a n i s mo f aP r e c i p i t a t i o nH a r d e n i n g S t a i n l e s s S t e e l a tD i f f e r e n t S t r e s sR a t i o s F E N GB o １,L IY u Ｇj i a １,M E IL i n Ｇb o ２,X U A NF u Ｇz h e n １ (１．K e y L a b o r a t o r y o f P r e s s u r e S y s t e m s a n dS a f e t y ,M i n i s t r y o fE d u c a t i o n ,E a s t C h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , S h a n g h a i ２００２３７,C h i n a ;２．T u r b i n eP l a n t ,S h a n g h a i E l e c t r i cP o w e rG e n e r a t i o nE q u i p m e n t C o ．,L t d ．,S h a n g h a i ２００２４０,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h e s a t u r a t e d s t e a m w i t h o x y g e n c o n t e n t l e s s t h a n １m g L －１a t １００?,a x i a l c o n s t a n t Ｇa m p l i t u d e f o r c e c o n t r o l l e d f a t i g u e t e s t sw e r ec o n d u c t e do nt h e p r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g s t a i n l e s ss t e e lC u s t o m ４５０w i t ht h r e e s t r e s s r a t i o s (－１,－０．６,０．１)．T h e f a t i g u e f r a c t u r e m o r p h o l o g y w a so b s e r v e d ,a n dt h eu l t r a Ｇh i g hc y c l e f a t i g u e f r a c t u r em e c h a n i s m w a si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h e S ＧN c u r v e s o ft h et e s t e d s t e e l p r e s e n t e d a c o n t i n u o u s d e c l i n e s h a p ew i t h o u t ah o r i z o n t a l a s y m p t o t e ,i n d i c a t i n g t h a t t h e t e s t e d s t e e l h a dn o f a t i g u e l i m i t ．T h r e e c r a c k i n i t i a t i o n p a t t e r n s ,n a m e l y f o r m i n g c r a c ks o u r c e sa t s u r f a c ed e f e c t s ,i n t e r n a l i n c l u s i o n sa n d i n t e r n a l d e f e c t s ,w e r e o b s e r v e do nt h ef r a c t u r es u r f a c e s ．W i t ht h ei n c r e a s eo fs t r e s sr a t i o ,t h e p r o b a b i l i t y o ft h es u r f a c ec r a c k i n i t i a t i o n i n c r e a s e dw h i l e t h a t o f t h e i n t e r n a l c r a c k i n i t i a t i o nd e c r e a s e d ．K e y w o r d s :p r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g s t a i n l e s ss t e e l ;u l t r a Ｇh i g hc y c l ef a t i g u e ;S ＧN c u r v e ;f a t i g u ef r a c t u r e m e c h a n i s m ０一引一言 C u s t o m４５０沉淀硬化型不锈钢是新近开发的 一种叶片钢,具有高强度二高韧性,以及优良的耐腐 蚀性能[１] ;其强化机制主要为富铜相的时效强化和钼二铌元素的沉淀强化[２] .L i n 等[３]研究了C u s t o m ４５０不锈钢在不同p H 二 温度和不同浓度氯化钠溶液中的高周疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率,发现氯化钠溶液p H 对其疲劳寿命的影响最大,而温度对裂纹扩展速率的影响最大;p H 对裂纹扩展速率的影响比对疲劳强度的影响小,由此可见疲劳裂纹的萌生相较于扩展更容易受到腐蚀环境的影响.目前对于C u s t o m４５０不锈钢的超高周疲劳性能尤其是在模拟工况环境下的超高周疲劳性能及疲劳断裂机制 研究还未见报道. 为此,作者根据汽轮机低压叶片的实际工作环境,在１００?含氧量小于１m g L －１的饱和蒸汽环境下对C u s t o m４５０不锈钢进行了不同应力比的超高 周疲劳试验,得到了相应的超高周疲劳S ＧN 曲线, ９ ２万方数据 断裂与疲劳 一、判断题 1. 力的大小可以用一个简单量表示。答案：错误 2. “KI = KIc”表示KI与 KIc是相同的。答案：错误 3. 百工“五法”指加、减、乘、除等五种运算方法。答案：错误 4. 低应力脆断事故并不可怕。答案：错误 5. 压力的单位为Kn。答案：错误 二、填空题 1. 控制材料或结构断裂的三个基本因素为：裂纹几何、作用应力、断裂韧性；裂纹扩展速率的主要控制参量是应力场强度因子幅度⊿K 2. J积分有两种定义或表达式，一是回路积分定义，另一种是形变功率，在塑性力学全量理论的描述下这两种定义是等效的；其守恒性指J积分的数值与积分回路无关。 3. KⅠc测试时，其裂纹长度包括机械加工长度、预制裂纹长度和小范围屈服长度，一般用读数显微镜测量。(8分) 4. 完整晶体的理论强度远远高于其实际强度，可以用应力集中系数 和裂口理论予以解释。(8分) 5. 疲劳裂纹包括萌生、扩展和断裂三个阶段，是一个损伤累积的发展过程。 6. 材料结构实际断裂强度远远低于其完整晶体的理论断裂强度，可以用应力集中系数 和裂口断裂理论予以解释。(8分) 7. 进行疲劳裂纹萌生寿命分析时, 一般按应力-寿命或应变–寿命关系进行, 称为传统疲劳；进行疲劳裂纹扩展寿命分析时，则必须考虑裂纹的存在，需用断裂力学方法研究，故称为断裂疲劳。 8. 变形、_断裂、腐蚀__ 、磨损、变性是材料或结构失效的主要原因与形式，其中_断裂最为常见也最为危险，在很多情况下可能造成灾难性事故。 三、问答题 1. 什么是低应力脆断如何理解低应力脆断事故 答案：在应力水平较低，甚至低于材料的屈服点应力情况下结构发生的突然断裂，称为低应力脆性断裂，简称低应力脆断。 低应力脆断多与结构件中存在宏观缺陷(主要是裂纹)有关，同时也与材料的韧性有关。由于应力低，容易“失察”，由于脆性断裂，难于控制即“失控”，低应力脆性断裂事故多为灾难性的。断裂力学是研究低应力脆断的主要手段，其研究目的也主要是预防低应力脆断。 2. 请按近似规则运算下式并写出详细的运算过程：+×+÷ 答案： 3. 请解说应力场强度因子断裂理论（“KI = KIc”）， 答案：（1）下标“I”表示I 型（张开型）裂纹； （2）“K”表示应力强度因子，是外加应力和裂纹长度的函数； （3）“KI”表示I 型（张开型）裂纹的应力强度因子； （4）“KIc”表示I 型（张开型）裂纹的断裂韧度，是材料抵抗断裂的一个性能指标；（5）“KI = KIc”是断裂判据，表示I 型（张开型）裂纹的应力强度因子增加到一个临界值即达到材料的断裂韧度时，就发生脆性断裂。 4. 材料有哪些性能什么是材料的力学性能金属材料有哪些力学性能指标力学行为的内涵是什么 答案：材料的性能包括热学性能、力学性能（弹性模量、拉伸强度、抗冲强度、屈服强度、耐疲劳强度等）、电学性能、磁学性能、光学性能、化学性能； 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征，主要分为：脆性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、弹性、延展性、刚性、屈服点或屈服应力。 金属材料力学性能指标包括：弹性指标、强度性能指标、硬度性能指标、塑性指标、韧性指 研究生课程考试答题册 学号056060343 姓名徐红炉 考试课目断裂力学 考试日期2006.9 西北工业大学研究生院 1． 分析1型裂纹尖端附近的应力应变场。 考虑在无限远处受双向拉伸应力作用的Ⅰ型裂纹问题。其Westergaard 应力函数的形式 选为：)(~ )(~~z Z yI z Z R I m I e I +=φ，该函数满足双协调方程，其相应的应力分量为 )()(2 2z Z yI z Z R y I m I e I x '-=??=φσ （1a ） )()(22z Z yI z Z R x I m I e I y '+=??=φσ （1b ） )(2z Z yR y x I e I xy '-=???=φτ （1c ） 相应的应变分量)]()1()()1[(1)(1z Z I y z Z R E E I m I e y x x ' '+-'-' ='-'= ννσνσε （2a ） )]()1()()1[(1 )(1z Z I y z Z R E E I m I e x y y ''++'-' ='-'=ννσνσε （2b ） G z Z yR G I e xy xy ) (' -==τγ （2c ） 先确定一个解析函数)(1z Z ,使得到的应力分量应满足问题的全部边界条件。将x 坐标轴取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则边界条件为： （1） y=0,x ∞→,σσσ==y x （2） y=0,a x <,的裂纹自由面上，0=y σ，0=xy τ；而当a x >，随着a x →， ∞→σ。 因此选择函数2 2 2 ) /(1)(a x x x a x Z I -= -= σσ ，用z=x+iy 代替上式中的x ，从而有 2 2 )(a z z z Z I -= σ （3） 满足上述边界条件。 为计算方便，将原点坐标从裂纹中心移至裂纹的右端点处，采用新坐标ξ，a z a iy x iy a x -=-+=+-=)()(ξ，或写成a z +=ξ。 （7）式用新坐标可写成 ) 2() ()() ()(2 2a a a a a Z I ++= -++= ξξξσξξσξ （4） 令a a f I 2) ()(++= ξξσξ （5） 第三部分疲劳断裂 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此 断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。 疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。 §3-1疲劳的基本概念 在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。 一、应力疲劳和应变疲劳 1、应力疲劳 在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特 点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。 2、应变疲劳 在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其 特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。 二、疲劳强度和疲劳极限 1、乌勒（W?hler）疲劳曲线 （1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（W?hler）疲劳曲线。 （2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系 （3）图示（略） 2、疲劳强度（条件疲劳极限） （1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳强度（σr） （2）σr =f（N）σr对应σmax，一般N<107 3、疲劳极限 （1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限 （2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线 栏目主持李牟翔疲劳断裂失效分析与表面强化预防 北京航空材料研究院（１０００９５）高玉魁 对于航空航天零部件而言，随着结构设计不断使用高强度结构材料来制造承力构件，越来越多的零件以疲劳断裂的方式发生失效事故。因此，总结疲劳断裂的失效特征，分析其影响凶素，探讨疲劳失效的预防措施一直是材料和力学等学科的研究工作者和工程师们所关心的课题。 对疲劳断裂失效而言，应该将疲劳裂纹的萌生与疲劳裂纹的扩展（包括疲劳小裂纹和长裂纹的扩展）结合起来，综合考虑疲劳裂纹的“裂”与“断”的过程，定量计算疲劳寿命，以便为设计提供数据支持和依据。目前的研究，材料工作者多从材料的组织结构特征方面来分析组织结构对疲劳寿命的影响，而断裂力学研究者则多从疲劳裂纹扩展寿命来计算安全的使用寿命。这两种方法都有一定的道理，并分别侧重于裂纹的萌生与扩展阶段的研究。对于疲劳断裂失效而言，疲劳断裂的过程都是先“裂”后“断”的。“疲劳断裂”不如“疲劳裂断”科学，这不仅是因为“疲劳裂断”可反映疲劳裂纹的萌生、扩展与断开的先后次序，而且“裂”还同时强调了裂纹的萌生和扩展两个阶段。一个零件要“裂”必须有裂纹的产生并使裂纹长大，要想“断”必须是零件上一定尺寸的裂纹在一定外力或环境的单独或共同作用下才能发生。因此，从“疲劳裂断”的进程来看，如何“防裂”、“止裂”、“防断”和“止断”不仅在科学理论上，而且在工程应用中都具有十分重要意义的研究课题。的强度潜力和使用性能；另一方面可提前预防失效事故并避免灾难的发生。为便于理解和使用，除了在此强凋“裂”外，下文仍采用“疲劳断裂”来描述疲劳失效。 １．结构材料的疲劳失效特征 疲劳失效是材料在循环载荷作用下发生的损伤和破坏过程。一般而言疲劳断裂包括裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终的断裂三个过程，因此疲劳断口上有三个相对应的区域，即裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。根据所受载荷的水平、材料的力学特性、试样的形状尺寸与约束条件的不同，这三个区域的大小、形状和分布特征也不尽相同，但总体而言可归纳为下列的４个宏观规律特征： （１）疲劳失效为低应力长时间无明显塑性变形的宏观脆性断裂。 （２）疲劳失效是由材料局部的组织不断发生损伤变化并且逐渐累积而成，疲劳总是从最薄弱的区域开始（见图１）。 图ｌ疲劳裂纹萌生于内部的夹杂物缺陷 （３）疲劳断裂必须在循环应力和微观局部发生塑性 “防裂”和“止裂”是在“裂”上下功夫，通过分变形，以及拉伸应力作用下发生。前者是裂纹形成的条析裂的规律，找出裂的原因，提出防裂的措施，采用合 理的结构设计、合适的材料、适宜的热处理制度及可靠 的零件加工与适当的表面强化来改进开裂的方式，提高 开裂的抗力。“防断”和“止断”是在“断”字上做文 章，对存在一定尺寸的裂纹或缺陷，通过分析剩余寿命 ／剩余强度来计算构件的安全，一方面可充分发挥材料 囵踅Ｑ里堡箜！！塑整丝型堡旦箜蕉ｗｗｗ．ｍａｃｈｉｎｉｓｔ．ｃｏｍ．ｃｎ参磊卢工热ｌｍ－ｒ 件，后者是裂纹扩展的需要。 （４）疲劳失效具有随机性，裂纹的形成与扩展都需 要一定的晶体学条件、力学条件和变形的协调条件，而 且材料本身的组织结构、成分偏析与夹杂缺陷等的不均 匀性，决定了疲劳失效具有随机性。 从疲劳失效的断口分析而言，微观上讲具有以下 万方数据 先进制造技术大作业 机械研1101 闫子彬 21104011 2012.1.5 大连理工大学机械工程学院 国内外研究现状综述： 1.CFRP材料的应用现状： 碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称CFRP）以其比强度高、比刚度大，具有吸音、隔热、防震、透微波、抗腐蚀、抗疲劳性能好和可设计性等诸多优点，近几十年来，在航空、航天、交通运输工具、船舶、建筑、机械等众多工程领域得到愈来愈广泛应用，特别是在各类飞机、舰船和运载工具上的使用率正以惊人的速度不断地增长。在航空航天领域中，CFRP 的应用得到了普及式的推广。目前已大量应用于军事和民用飞机，甚至于航天运载火箭和卫星等领域。复合材料的用量已成为航空航天结构先进性的标志之一。[1] 图1 CFRP在工业各方面的应用 复合材料构件的二次机械加工是其制造过程中的重要工序之一，其加工精度和表面质量对复合材料的力学性能和使用寿命具有重要的影响。近几年来，随着复合材料在航空航天部门的广泛应用，有关其机械加工的研究显得日益重要。 2.CFRP制孔过程中的分层缺陷问题 目前，纤维增强复合材料在航空航天等工程结构上多以层合板（壳）形式出现，如飞机机身、机翼的蒙皮，火箭圆柱壳体等，其制造过程是将单层板按照一定的纤维方向和铺放次序叠层，通过粘合剂，加热固化处理而成。为了满足装配连接、开窗等需要，复合材料结构部件在固化成型后通常还要进行二次机械加工，其中钻削制孔是二次机械加工中的重要工序之一，几乎可占总加工量的一半以上，如F-35复合材料前机身要钻1500个孔（如图1所示），而一副F-22战斗机机翼要钻14000个孔。但是由于复合材料的力学性能呈现各向异性、沿厚度方向的成层 超高频强度钢的疲劳断裂行为 J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 2008 1) 国家重点实验室的先进加工钢材和产品，北京100081,中国 2) 国家工程研究中心，北京100081钢铁技术先进，中国 3) ,燕山大学，秦皇岛，中国 ⑷对金属的中国社会，北京100711,中国 疲劳断裂行为的超高强度钢与不同熔化过程，研究了夹杂物尺寸不同通过用在旋转弯曲疲劳机上多达107循环加载。观察骨折面发射扫描电子显微镜(FESEM。当它被发现时已经尺寸的夹杂物对疲劳行为未清除。对钢在AISI 4340夹杂物尺寸小于5.5微米，所有的疲劳裂纹除的确做到了包含但不引发的地表和传统从标本的s - n曲线的存在。对65Si2MnW在100和Aermet钢平均12.2和14.9米，疲劳裂纹在较低的夹杂物引发的s - n曲线应力幅值和逐步进行观测。弯曲疲劳 强度的s - n曲线显示一个不断下降和疲劳失效的大型氧化物夹杂源于对60Si2CrVA 钢平均夹杂物的尺寸44.4米。在案件的内部骨折在周期超越约1X 106 65Si2MnWI?60Si2CrVA钢、夹杂物sh-eye经常发现里面和颗粒状明亮的方面(GBF)进行了观察附近约夹杂。GB尺寸的增加这个循环数的增加对失败的长寿命的政权。结构应力强度因子的价值范围内裂纹萌生施工现场对GBI与Nf几乎不变， 几乎是相等的表面夹杂物和内部包含在周期低于约1X 106。既不sh-eye GBF也 没有观察到100 Aermet钢在目前的研究中。 关键词:High-cycle超高强度钢疲劳，夹杂物s - n曲线，鱼眼骨折 1、介绍 High-cycle疲劳(HCF)失败是普通的实用的建筑工程项目的土石方作业。因此，广泛的研究已进行多年了令人满意的理解和解决方案尚未达成。众所周知，有一个很好的旋转弯曲疲劳强度之间的关系，如光滑的标本和抗拉强度、维氏 硬度、高压、或低或中等强度。对于低或中等强度钢如下 (T w 心 0.5Rm (T w 心 1.6HV (1) 在这种情况下，从疲劳裂纹倾向于表面，因此被称为表面的结构。然而,在较高 的拉伸强度范围或维氏硬度、线性相关性没发生，有了更多的散射或甚至星体疲劳强度值。疲劳断裂的起源的高强度钢的表面并不总是，但经常还有一定距离尤其是forhigh-cycle 疲劳，因此被称为内部断裂。断裂表面经常展现一个小光滑斑裂纹起 中国矿业大学 2012 级硕士研究生课程考试试卷 考试科目损伤与断裂力学 考试时间2012. 12 学生姓名张亚楠 学号ZS12030092 所在院系力建学院 任课教师高峰 中国矿业大学研究生院培养管理处印制 《损伤与断裂力学》读书报告 一．断裂力学 1．基本概念及研究内容 断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。 随时间和裂纹长度的增长，构件强度从设计的最高强度逐渐地减少。假设在储备强度A点时，只有服役期间偶而出现一次的最大载荷才能使构件发生断裂；在储备强度B点时，只要正常载荷就会发生断裂。因此，从A点到B点这段期间就是危险期，在危险期中随时可能发生断裂。如果安排探伤检查的话，检查周期就不能超过危险期。如下图所示： 问题是储备强度究竟是个什么样的参量？它与表征裂端区应力变场强度的参量有何关系？如何计算它？如何测量它？它随时间变化的规律如何？受到什么因素的影响？这一系列问题如能找到答案的话，则提出的以上五个工程问题就有可能得到解决。断裂力学这门学科就是来解决这些问题的。 1.1影响断裂力学的两大因素 a．荷载大小b.裂纹长度 考虑含有一条宏观裂纹的构件，随着服役时间后使用次数的增加，裂纹总是愈来愈长。在工作载荷较高时，比较短的裂纹就有可能发生断裂；在工作载荷较低时，比较长的裂纹才会带来危险。这表明表征裂端区应力变场强度的参量与载荷大小和裂纹长短有关，甚至可能与构件的几何形状有关。 1.2脆性断裂与韧性断裂 韧度（toughness ）：是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力。它是个能量的概念。 脆性（brittle ）和韧性（ductile ）：一般是相对于韧度低或韧度高而言的，而韧度的高低通常用冲击实验测量。 高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变形。如低强度钢，在断裂前必定伸长并颈缩，是塑性大、韧度高的金属。金、银比低强度钢更容易产生塑性变形，但是因为强度太低，因此吸收能量的能力还是不高的。玻璃和粉笔则是低韧度、低塑性材料，断裂前几乎没有变形。 脆性断裂：如下图所示的一个带环形尖锐切口的低碳钢圆棒，受到轴向拉伸载荷的作用，在拉断时，没有明显的颈缩塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直，这是典型的脆性断裂。粉笔、玻璃以及环氧树脂、超高强度合金等的断裂都属于脆性断裂这一类。 韧性断裂:若断裂前的切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小（既发生颈缩），段口可能呈锯齿状，这种断裂一般是韧性断裂。前边提到的低强度钢的断裂就属于韧性断裂。 像金、银的圆棒试样，破坏前可颈缩至一条线那样细，这种破坏是大塑性破坏，不能称为韧性断裂。 2.能量守恒与断裂判据 2.1传统强度理论 在现代断裂力学建立以前，机械零构件是根据传统的强度理论进行设计的，不论在机械零构件的哪一部分，设计应力的水平一般都不大于材料的屈服应力，即 n ys σσ≤损伤与断裂力学论文
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